ЗубайдуллинА.А.

Как известно, большая часть имеющихся в Нижневартовском районе нефтезагрязненных земель приходится на сфагновые верховые болота с мощным слоем торфяной залежи. И именно на этих землях применение традиционных технологий рекультивации и обычных технических средств, как показывает современная практика, не только не приносит положительных результатов, но в ряде случаев даже способствует замедлению начавшихся естественных процессов самовосстановления.

В первую очередь, это обусловлено недооценкой природных особенностей указанных биотопов: их высокой обводненностью, слабонесущей способностью поверхности и, главное, своеобразием почвенно-растительного комплекса, создающими вкупе существенные трудности для применения типовых схем рекультивации нефтезагрязненных земель.

Уточним, что под словом "рекультивация" здесь подразумевается весь комплекс работ, проводимый на нарушенной территории и включающий в себя: сбор и нейтрализацию нефтяной органики, восстановление плодородия почвы и создание стабильного растительного покрова. Следующей наиболее распространенной причиной отрицательных результатов при рекультивации всех без исключения нефтезагрязненных участков, включая и расположенные на верховых болотах, является игнорирование (по незнанию, по меркантильным и другим соображениям) этапности действия природных механизмов разложения нефти на земной поверхности. Для нашего региона выделяют три основных этапа естественного разрушения нефти на земной поверхности (рисунок 1):

I этап - длится в среднем 1,5 года. Здесь преобладают физико-химические процессы, включающие проникновение нефти вглубь почвы, испарение легких фракций, вымывание, окисление атмосферным кислородом и фотохимическое разложение нефтяных углеводородов. Концентрация нефти в почве за этот период снижается на 40-50%.

II этап - длится 3-4 года после окончания первого. Здесь разложение нефти происходит под воздействием почвенных углеводородокисляющих микроорганизмов, численность которых при этом увеличивается в 25 раз. Происходит разрушение метано-нафтеновых фракций, являющихся самыми токсичными компонентами нефти для растений и почвенных животных.

III этап - начинается через 4,5-5 лет после разлива нефти и длится до ее полного разрушения. Этап характеризуется микробиологическим разложением остальной менее токсичной части углеводородов и смолисто-асфальтеновых компонентов, которые образуют на загрязненной поверхности сплошные жесткие корочки - так называемые киры. Фактически, уже в самом начале этапа возможно возобновление некоторых видов растений, устойчивых к повышенному содержанию нефти в грунте. Но их появлению препятствуют киры, которые не позволяют воздуху проникать в корнеобитаемый слой торфа, вызывая своеобразное удушье растений и почвенных животных. С химической точки зрения, полностью процесс естественного разрушения нефти заканчивается не менее чем через 25 лет, однако токсические свойства нефти исчезают уже через 10-12 лет, продукты ее разложения частично включаются в почвенный гумус, частично растворяются и удаляются из почвенного профиля.

Собственные исследования, проведенные в летний сезон 1996г. на территории Ватинского месторождения нефти (ОАО "Славнефть-Мегионнефтегаз"), подтвердили наличие этапности естественной деградации нефти и на загрязненных участках верховых болот. Наблюдения проводились на трех однотипных участках, представляющих биоценоз грядово-мочажинного верхового болота, которые в разное время были подвергнуты нефтяному загрязнению: относительно свежий разлив 1994г., давний - 1989г. и старый - 1985г. Сроки аварий были подобраны с учетом уже указанных этапов физико-химической и микробиологической деструкции нефтяных углеводородов и связанных с ними стадий самовосстановления нарушенных фитоценозов. Однако длительность каждого из них, как показало полевое обследование, в условиях верховых торфяников превышает приведенные (применительно для дренированных участков) в 1,5 - 2 раза, что обусловлено спецификой торфяных болотных почв (низкие внутрипочвенные температуры, недостаток кислорода и минеральных веществ).

Только с учетом всего вышеперечисленного мы можем правильно выстроить ход рекультивационного процесса, оптимально задействуя и используя все существующие природные механизмы самоочищения, и получить значительный эколого-экономический эффект, если этот термин уместен в данном случае. Этот эффект достигается за счет двух показателей:

Существенного сокращения периода очищения и восстановления нарушенных участков до исходных состояний;

Снижения общих материальных затрат на рекультивацию.

Теперь непосредственно о наиболее типичных ошибках допускаемых при проведении рекультивационных работ на нефтезагрязненных участках болот. Сплошь и рядом можно наблюдать, как при ликвидации свежих разливов нефти в первые два года применяются следующие мероприятия:

1) засыпка загрязненных участков песком и торфом,

2) перепахивание или рыхление поверхности сельхозорудиями (бороны, плуги и т.д.) и гусеницами вездеходов,

3) внесение нефтеокисляющих микроорганизмов.

К сожалению, каждое из указанных мероприятий является фактически бесполезной тратой сил и средств с экологической точки зрения. Более того, в большинстве случаев природе оказывается своеобразная "медвежья услуга", в результате которой болотным экосистемам наносится гораздо больший ущерб, нежели непосредственно от самого разлива нефти.

Так, выполнение первых двух мероприятий приводит лишь к временному облагораживанию уродливого пейзажа и достижению приемлемых концентраций нефти в "верхнем" (привозном или вывернутом нижележащем) слое почво-грунтов согласно требований природоохранной инспекции. На самом же деле происходит захоронение и консервация нефти в нижележащих обводненных слоях торфа, где наблюдаются низкие температуры и нехватка свободного кислорода. Например, при движении по нефтезагрязненной поверхности болота тяжелых гусеничных болотоходов типа ГПЛ, "Витязь" и др., происходит продавливание и захоронение нефти в торфяной залежи на глубине до 50 см. А при естественном распределении нефти по поверхности загрязняется в среднем 5-10-ти сантиметровый слой торфяной залежи. Все это выводит остаточную нефть на несколько лет из-под действия естественных физико-химических механизмов разложения (атмосферного кислорода и солнечного света), а следовательно существенно замедляется общий ход восстановления устойчивого почвенно-растительного покрова. При этом также полностью разрушается (засыпается или сдирается гусеницами) существующий растительный покров, который мог бы сохраниться на отдельных повышениях и кочках и быть источником расселения растительности на загрязненных землях в последующие годы.

Нецелесообразным на данном этапе является и применение нефтеокисляющих микроорганизмов (бакпрепаратов), так как большая часть их погибает вследствие острой токсичности свежеразлитой нефти. Кроме этого, в процессы биоразложения в первую очередь вовлекаются более легкие фракции нефти (своеобразные "сливки"), которые и так бы быстро разрушились под воздействием атмосферного кислорода и солнечного света.

Таким образом, ускорять естественные процессы разрушения остаточной нефти и тем самым сокращать время, требуемое для восстановления исходного растительного покрова целесообразно лишь по прошествии полутора-двух лет с момента аварии (на II и III этапах).

Однако это не значит, что свежими разливами не надо заниматься. Просто здесь все усилия необходимо направить на надежную локализацию разлива нефти в пределах минимально возможной площади и сбор максимально возможного количества нефти. Современные технические средства позволяют собирать до 70 %, а при благоприятных природных условиях до 90 % разлитой нефти .

На болотах локализация разливов осуществляется, как правило, либо созданием по периметру разлива мощной торфяной обваловки (используются болотоходы типа "КАРТ"), либо отрыванием направляющих траншей и борозд к общей приемной яме, либо установкой мобильных боновых заграждений (последнее к сожалению не практикуется). Сбор нефти производится с использованием обычной откачивающей техники и специализированных нефтесборщиков. Эффективно на болотах и применение для сбора нефти из межкочковых углублений и других труднодоступных мест ранцевых вакуумных насосов, как отечественного, так и импортного производства. Основным условием должно быть минимальное перемещение техники и людей по рекультивируемой поверхности, особенно, по сохранившимся участкам живой растительности.

Наиболее приемлемым методом для тщательного сбора остаточной нефти, по собственному опыту проведения таких работ, является метод принудительной отмывки почв и растительного покрова от нефти водой. Это достигается либо полным заводнением загрязненного участка на непродолжительный период, либо его периодическим дождеванием поливальными установками (мотопомпы, лесопожарные машины). Эффективность работ по нефтеотмывке участка существенно увеличивает применение разрешенных поверхностно-активных веществ.

При небольших объемах разлитой нефти эффективным мероприятием является использование сорбентов, в частности торфяных матов (удерживающая способность 1 м2 в зависимости от технологии изготовления составляет от 10 до 40 кг нефти при 12-15-тикратном использовании). Такие маты удобны для быстрого развертывания на свежих разливах и, что самое главное, удобны при последующем их сборе для утилизации, в отличие от рассыпных видов сорбентов . Кстати, имеются несложные отечественные технологии массового производства таких матов на местах. Уникальные сорбционные свойства имеет и природный минерал - вермикулит, значительные запасы которого имеются в нашем горном Зауралье.

PAGE \* MERGEFORMAT 12

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Кафедра кадастра недвижимости и геод е зии

ОПД.В.04 РЕКУЛЬТИВАЦИЯ ЗЕМЕЛЬ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к практическому занятию № 4 по теме:

«Рекультивация земель, загрязненных нефтью и нефтепродуктами»

Специальность 120301 Землеустройство

Уфа 2012

УДК 631.4

ББК 40.3

М 54

Рассмотрены и обсуждены на заседании кафедры кадастра недвижимости и геодезии (протокол № от 2012 года)

Составитель: доцент, к.с.-х.н. Минниахметов И.С.

Рецензент: к.с.-х.н., доцент кафедры земледелия и почвоведения

Га й син В.Ф.

Ответственный за выпуск: зав. кафедрой кадастра недвижимости и геодезии, к.с.-х.н., доцент Ишбулатов М.Г.

г. Уфа, БГАУ, кафедра кадастра недвижимости и геодезии

РЕКУЛЬТИВАЦИЯ ЗЕМЕЛЬ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ НЕФТЬЮ И НЕФТЕПРОДУКТАМИ

Цель занятия — научиться разрабатывать системы мероприятий по рекультивации земель, загрязненных нефтью и нефтепродуктами.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В условиях возросшей в XX веке антропогенной нагрузки на биосферу планеты, почва являясь элементом природной системы и находясь в динамическом равновесии со всеми другими компонентами, подвергается деградационным процессам. Одной из наиболее типичных проблем современности является загрязнение нефтью и нефтепродуктами почвенного покрова территорий в результате аварийных ситуаций при добыче, транспортировке и переработке нефти.

В настоящее время отдельные нефтедобывающие территории по состоянию окружающей среды приближаются к районам экологического бедствия. Возникает угроза устойчивой, а часто необратимой трансформации условий функционирования природных систем и изменений качества жизни на значительных площадях в разных природных зонах — от Крайнего Севера до юга страны. Происходят глубокие изменения практически всех компонентов окружающей среды: почв и структуры почвенного покрова, грунтов и недр, поверхностных и подземных вод, биоты и воздуха.

Нефтяная промышленность по опасности воздействия на окружающую среду занимает третье место в числе 130 отраслей современного производства (Панов и др., 1986).

Поскольку на современном уровне развития нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности не представляется возможным исключить ее воздействие на окружающую среду, возникает необходимость рекультивации земель, загрязненных нефтью, нефтепродуктами и высокоминиралезованными нефтепромысловыми сточными водами (НСВ).

Загрязнение почвы нефтью и НСВ отличается от многих других антропогенных воздействий тем, что оно дает не постоянную, а, как правило, "залповую" нагрузку на среду, вызывая быструю ответную реакцию. При оценке последствий такого загрязнения не всегда можно сказать, вернется ли экономика к устойчивому состоянию или будет необратимо деградировать. Во всех мероприятиях, связанных с ликвидацией последствий загрязнения, с восстановлением нарушенных земель, необходимо исходить из главного принципа: не нанести экономике большой вред, чем тот, который уже нанесен при загрязнении.

Концепция восстановления экономики опирается на этот принцип. Е e суть м аксимальная мобилизация вн утренних ре су рсов на восст ановление своих первоначальных ф ункций.

В настоящее время рекультивация нефтезагрязненных земель в Башкортостане проводится, как правило, без достаточного научного обоснования. Ликвидация последствий разливов нефти проводится часто таким способом, что происходит необратимое уничтожение плодородного слоя почвы, например, при сжигании нефти, засыпке загрязненных участков грунтом, вывозе загрязненной почвы в отвалы.

1 Методические положения

1.1 Методы рекультивации

Методы рекультивации, применяемые в зарубежной и отечественной практике, можно условно разделить на четыре группы: физические, физико- химические, химические и биологические.

К физическим методам относятся механическое снятие замазученных и битумизированных слоев почвы, содержащих свыше 5 % углерода нефтепродуктов (Якубов, 1989), сбор нефтепродуктов с поверхности с помощью гидронасоса (Hinchel и др., 1988), смешивание загрязненных почв с чистой почвой для уменьшения содержания нефти и нефтепродуктов (Абдуев, Аскеров, 1979; Ахмедов и др., 1988; Исмаилов, Пиковский, 1988).

Рядом авторов предлагается интенсивно аэрировать нефтезагрязненные почвы, используя при этом глубокою вспашку, рыхление, дискование, боронование (Самосова и др., 1979; Андерсон, Пропадущая, 1979, Аскеров, 1982; Оборин и др., 1988).

Balch Thomas (1993) предлагает интенсивно собирать загрязненную почву в покрытые кучи высотой 4—5 м и шириной до 40 м, в основании которых располагается сеть перфорированных труб для подачи горячего воздуха. В результате диффундирования нагретый воздух захватывает углеводороды и летучие органические соединения.

Н asler Anders (1989) рассматривает возможность применения методов очистки путем нагрева почвы до температуры 700°С или с помощью струи воды под высоким давлением. Heimhard Hans - l ü rgen (1987) предлагает использовать водно-воздушную струю высокого давления. Weston Roy F . (1998), Matig J ., Т r ü benbach G . (1991), Joseph E . Musul (1993) используют технологию нагрева почвы, при этом происходит испарение влаги и органического вещества. Jorgenson Torre М., Krizan Larry W et . al . (1991) разработали поэтапную технологию очистки нефтезагрязненных земель на Аляске. Перед замерзанием почвы нефть удалялась механически и с помощью промывания, летом следующего года почву удобрили, аэрировали, создали определенную влажность, что способствовало благоприятным условиям для разложения нефти. В результате этих мероприятий произошло снижение содержания углеводородов нефти на 94 % от начального.

Физико-химические методы предполагают применение специально подобранных поверхностно-активных веществ (диспергаторов, дезмульгаторов и т.д.) вспомогательных веществ, влияющих на изменение состояния и коллоидно-дисперсной структуры взвешенных частиц в нефтяной и водной фазах.

Для очистки больших территорий, загрязненных вредными техногенными соединениями, предлагается использовать широко распространенные природные сорбенты органического происхождения (торф, мох, чернозем, уголь), глины и глинистые материалы с высокой емкостью поглощения по отношению к загрязнителям.

Hasler Anders (1989) предлагает обжиг загрязненных почв с одновременным добавлением в них вяжущих веществ, после термообработки образующийся конгломерат используется как строительный материал, a Rez D . H . (1993) использует для обезвреживания жидких и твердых углеводородов портландцемент, при этом углеводород изолируется от соприкосновения с окружающей средой.

Punt и др. (1991) предлагают экстракцию загрязняющих почву нефтепродуктов перегнанной фракцией природного конденсата и гексана, а Bulman и др. (1993) и Greiner D (1994) — химическое насыщение почвы кислородом для восстановления ее биологической активности. Hinchel R . E ., Downey D . C . и др. (1998) показали возможность использования закачки воды, обогащенной кислородом или содержащей перекись водорода.

Большая роль в ускорении разложения нефти и нефтепродуктов в почве принадлежит минеральным и органическим удобрениям (Самосова и др., 1979; Демиденко и др., 1983; Абзалов и др., 1988; Гайнутдинов и др., 1988, Тишкина, 1990).

Особенно важно применение азотных удобрений, т.к. в почве при нефтяном загрязнении вносится большое количество С, резко изменяя соотношение C : N . Для нормального развития микроорганизмов требуется на 1 часть азота 10 частей углерода, в грязных до 400—420 (Odu , 1978).

Биологичес кий метод — является наиболее эффективным и экологическим методом рекультивации нефгезатрязненных почв. Они включают в себя использование биопрепаратов и биостимуляторов для деградации нефти и нефтепродуктов.

В разложении нефти в почве главное и решающее значение имеет функциональная активность комплекса почвенных микроорганизмов, обеспечивающих полную минерализацию нефти и нефтепродуктов до углекислого газа и воды. Основной вклад в этот процесс вносят микроорганизмы, способные использовать углеводороды в качестве единственного источника органического вещества и энергии. Тип почвы, ее минеральный и органический состав, влажность, аэрированность, температура также влияют на скорость деградации углеводородов нефти. На основании способности микроорганизмов использовать углеводороды нефти и других ксенобиотиков предложен метод биокоррекции загрязнений, который включает следующие подходы:

1. активацию деградирующей способности микрофлоры, естественно содержащийся в загрязненной почве, путем внесения биогенных элементов, ко- метаболизируемых субстратов, кислорода — биостимуляция;
2. интродукцию в загрязненную почву специализированных микроорганизмов, предварительно выделенных из различных загрязненных источников или генетически модифицированных — биодополнение.

С помощью биологического метода, основанного па применении природных штаммов микроорганизмов, за 3 года рекультивации можно полностью восстановить плодородие нефтезагрязненных почв при уровне загрязнения, не превышающем 10—15% сырой нефти к массе почвы. В случае более высоких концентраций загрязняющих веществ биовосстановление целесообразно комбинировать с физическими и физико-химическими методами очистки.

Видовое разнообразие нефтеокисляющих бактерий велико. На основе штаммов различных бактерии и их ассоциаций созданы весьма эффективные биопрепараты — Родотрин, Экойл, Путидойл и т.д.

Рассмотренные ниже физико-химический и химический методы являются и определенной степени симулирующими. Биостимулирующими служат также различные пищевые добавки и поверхностно-активные вещества (ПАВ), отходы дрожжевого производства, рыбная мука, молочная сыворотка, отходы белково-витаминного комбината, активный ил, азот, фосфор и калий минеральных удобрений, традиционный навоз и даже, как показали исследования Н.А. Киреевой, жидкие стоки животноводческих комплексов и другие сточные воды, которые утилизируются на земледельческих полях орошения.

Известна роль дождевых червей в разложении нефти. Кибардиным и др. (1989) показано, что дождевые черви заглатывают нефть в почве и делают ее доступной для микроорганизмов.

Посев в нефтезагрязненную почву люцерны и других бобовых культур, трав с разветвленной корневой системой способствуют ускорению разложения углеводородов (Алиев и др., 1977; Gudin , Syratt , 1975; Lee Eusiand , 1993). Положительное воздействие посевов сельскохозяйственных растений, и в частности многолетних трав, объясняется тем, что своей развитой корневой системой они способствуют улучшению газовоздушного режима загрязненной почвы, обогащают почву азотом и биологическими активными соединениями, выделяемыми корневой системой в почву в процессе жизнедеятельности растений. Все это стимулирует рост микроорганизмов и соответственно ускоряет разложение нефти и нефтепродуктов. В этой связи нельзя не учитывать также возможность самих растений подвергать разложению различные классы нефтяных углеводородов (Угрехелидзе, 1976) или адсорбировать их (Cunningham Scott и др., 1995) .

1.2 Комплексная технология рекультивации земель,

Загрязненных нефтью

Технология рекультивации земель, загрязненных нефтью, зависит от многих факторов: концентрации нефти в почве, типа нефти, наличия средств рекультивации — биопрепаратов, химических мелиорантов, технических средств и т.д. На основании исследований и обобщения опыта по рекультивации земель, загрязненных нефтью, Институтом биологии УНЦ РАН совместно с БашНИПИнефть разработан руководящий документ «Проведение рекультивации техногенно нарушенных земель при добыче нефти» , который одобрен соответствующими государственными органами и предложен предприятиям АНК «Башнефти» для использования в восстановлении земель, загрязняемых нефтью и нефтепродуктами. Получены также патенты РФ на изобретение «Способ очистки почв от нефтяных загрязнений» .

Согласно предложенной схеме (рисунке 1) основных мероприятий по рекультивации нефтезагрязненных почв, сначала проводится мелиоративное обследование загрязненной территории, уточняются границы ареала и все те факторы, на основании которых выбираются способы рекультивации.

Рисунок 1 Схема основных мероприятий по рекультивации нефтезагрязненных земель

Основными средствами рекультивации нефтезагрязненных земель являются применение биологических препаратов и активизация аборигенной почвенной микрофлоры на фоне различных агротехнических и фитомелио- ративных мероприятий, направленных на оптимизацию трофических и физико-химических условий для жизнедеятельности микроорганизмов, потребляющих углеводороды нефти.

Эффективное использование биопрепаратов возможно при концентрации нефтепродуктов в почве не выше 10—15%. Поэтому на первом этапе рекультивации при содержании нефти выше нефтеемкости почвы производятся механический сбор разлитой нефти вместе с некоторой частью поверхностного слоя почвы и транспортировка их в земляные (нефтешламовые) амбары. После отделения нефти от почвы, используя и ПАВ, прежде чем приступить к биологической рекультивации на полигоне, необходимо провести ряд агротехнических мероприятий — интенсивное рыхление, увлажнение, внесение комплексных минеральных и органических удобрений. Можно также оставить почву на парование при периодическом рыхлении и в последующем проводить фитомелиорацию, используя в качестве сидератов преимущественно бобовые культуры. При содержании нефти в загрязненной почве в концентрации до 10—5% можно приступить сразу к агротехническим воздействиям (рыхление, внесение удобрений и биостимуляторов) с последующим внесением биопрепаратов. При содержании нефти в почве менее 5% можно приступить к фитомелиорации сразу или через этап парования.

Рекультивация считается завершенной при снижении содержания нефти в почве до 0,1%, формировании травостоя с проективным покрытием не менее 80%. При загрязнении почв сырой нефтью, в составе которой содержится значительное количество НСВ, в схему рекультивации включаются химические мелиоранты. На начальном этапе проводится, если это возможно, отмывка почвы от солей, затем гипсование, далее выполняются предусмотренные в системе мероприятий агротехнические и биологические способы рекультивации.

2 порядок выполнения задания

2.1 Основные мероприятия по рекультивации

нефтезагрязненных почв

Первый этап — агрогеохимический.

На этом этапе происходит процесс выветривания, испарения и частичного разрушения легких фракций, фотоокисление, частичное восстановление микробиологических сообществ и почвенных животных. Часть компонентов превращается в твердый продукт, что улучшает водно-воздушный режим.

1. Сбор нефти с поверхности (бульдозеры, экскаваторы), откачка насосами.
   1. Транспортировка и складирование в нефтешламовые амбары для последующей переработки.

3. Подготовка участка путем частичной или сплошной планировки (при необходимости) почва очищается от мусора, отходов ликвидации аварии и оставляется на самоочищение и естественную трансформацию нефти на 1,0—1,5 года.

1. Во время первого этапа при отсутствии опасности эрозии необходимо проводить рыхление почвы (перепашка на глубину 10—20 см) 2—3 раза после наступления физической спелости почвы весной.
   1. В зимний период необходимо снегозадержание, а весной — регулирование снеготаяния.
      1. Внесение комплексных минеральных удобрений (N , Р, К), не менее 90 кг действующего на 1 га.
      2. На этом этапе при загрязнении почвы менее 10% (весовые) используются биопрепараты — в том числе биостимуляторы и биодобавки. При слабом загрязнении почв внесение биопрепаратов экономически нецелесообразно. Следует ограничится агротехническими методами и биостимуляции.
      3. На агротехническом этапе проводится контроль за возможным загрязнением грунтовых вод нефтью.
      4. По окончании 1 этапа проводится анализ содержания остаточной нефти в почве. Определяется степень естественного зарастания.

Второй этап — биологический.

1. 1-я стадия биологического этапа — пробный посев трав. Цель этого мероприятия - оценить остаточную фитотоксичность почв, интенсифицировать процессы биодеградации нефти, уточнить сроки перехода к заключительному этапу.
   1. Перед пробным посевом почву перепахивают (рыхлят, дискуют). Сеют преимущественно бобовые культуры (горох, люцерна, донник и др.).
      1. 2-я стадия биологической рекультивации — посев многолетних трав проводится через 1—3 года после загрязнения. Этот этап начинается, если пробный посев дал всходы не менее чем на 75% площади.
         1. Перед посевом многолетних трав проводится рыхление почв, внесение органических удобрений и биостимуляторов. Минеральные удобрения лучше вносить в виде подкормок 2-3 раза.
         2. Рекомендуемые травы для лесостепной зоны — овсяница луговая, тимофеевка луговая, клевер красный, костер безостый, ежа сборная, люцерна синегибридная. Для стенной зоны — житняк гребнистый, люцерна желтогибридная, донник желтый, волоснец, регнерия волокнистая.
         3. Многолетние травы выращиваются не менее 2-х лет. Зеленую массу не рекомендуется использовать в кормовых целях, лучше запахивать в почву в качестве сидератов.
         4. Рекультивация считается завершенной, если рост трав и формирование травостоя проходит нормально с агрономической точки зрения и зарастает более 80 % площади. Содержание нефтепродукта не должно превышать 0,1%.

3 задания на самОстоятельную работу

Разработать систему мероприятий по рекультивации загрязненных земель, с учетом уровня загрязнения нефтью (см. таблицу 1).

Таблица 1 Классификация почв по степени загрязнения нефтью

* санитарный норматив ≤0,1%

Технологическая карта составляется в соответствии с таблицей 2:

Таблица 2 Технологическая карта

Выводы:

Форма контроля. Разработанная технологическая карта по рекультивации загрязненных нефтью земель с выводами предоставляются преподавателю и оцениваются с собеседованием.

4 Вопросы для самоконтроля знаний

1 Какие методы используют при рекультивации земель, загрязненных нефтью и нефтепродуктами?

2 Назовите основные биопрепараты применяемые при рекультивации земель, загрязненных нефтью и нефтепродуктами?

3 Основные мероприятия по рекультивации земель, загрязненных нефтью и нефтепродуктами?

4 Охарактеризуйте современные способы очистки земель от нефтепродуктов.

5 Какой из методов является наиболее эффективным при рекультивации земель, загрязненных нефтью и нефтепродуктами?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Габбасова, И.М. Деградация и рекультивация почв Ба ш кортостана [Текст] / И.М. Габбасова. — Уфа, Гилем, 2004. — 284 с.

2 Голованов, А. И. Рекультивация нарушенных земель [Текст]: учеб. пособие / А. И. Голованов, Ф. М. Зимин, В. И. Сметанин; под ред. А. И. Голованова. — М.: КолосС, 2009. — 325 с.

3 Основы природообустройства [Текст]: учебное пособие / А.И. Гол о ванов [и др.]. — М.:Колос, 2001. — 263 с.

4 Почвы Башкортостана [Текст]. Т.2. Уфа: Гилем, 1997. — 328 с.

5. Садовникова, Л. К. Экология и охрана окружающей среды при химич е ском загрязнении [Текст] : учеб. пособие / Л. К. Садовникова, Д. С. Орлов, И. Н. Лозановская. — 3-е изд., п е рераб. — М.: Высш. шк., 2006. — 334 с.

6 Система ведения агропромышленного производства в Республике Ба ш кортостан [Текст]. — Уфа, Гилем, 1997. — 612 с.

7 Сметанин, В.И. Рекультивация и обустройство нар у шенных земель [Текст]: учебное пособие / В.И. Сметанин. — М.: Колос, 2000. — 96 с.

РЕКУЛЬТИВАЦИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ

Благодаря многолетней практике рекультивационных работ в настоящее время в арсенале специалистов экологов накоплено значительное разнообразие различных способов восстановления почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами: от элементарного механического сбора веществ-загрязнителей до применения высокоэффективных углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ) , в том числе продуктов генной инженерии. В отношении способов, основанных на интродукции в почву штаммов активных нефтеусваивающих культур у специалистов до сих пор нет единого мнения из-за непредсказуемости результатов интродукции штаммов по причине их конкуренции с аборигенными УОМ, широко распространенными во всех типах почв и являющихся неотъемлемым компонентом почвенного микробоценоза. Торфяные почвы северных регионов не являются исключением и содержат значительное количество УОМ, численность которых после нефтеразливов может возрастать на 2-3 порядка и составлять не менее 107 - 108 клеток в 1 г почвы. Поэтому, при рекультивации торфяных почв наиболее предпочтительным является применение способов стимулирования метаболической активности собственной аборигенной микрофлоры почвы путем оптимизации ее физико-химических условий. Так, например, один из таких способов, разработанных НТО <Приборсервис>, позволяет посредством комплекса агротехнических мероприятий и внесения алюмосиликатных минералов добиться 70-80%-й степени очистки почвы за один вегетационный сезон (рис.1)

б)

Рисунок 1. Вид участка до (а) и после (б) рекультивации

Как известно загрязнение почв обедненной азотом нефтью приводит к установлению в почве режима резкого дефицита азота для микроорганизмов, что является одним из основных лимитирующих факторов быстрого самовосстановления почвы. Применение азотных минеральных удобрений позволяет устранить данное лимитирование.

Известно, что в загрязненных нефтью почвах во многих случаях наблюдается резкое усиление процессов биологической азотфиксации. При этом проводимые исследования микробиологических процессов в нефтезагрязненной почве показали, что активность УОМ находится в прямой зависимости от интенсивности притока в почву атмосферного азота, осуществляемого азотфиксирующими микроорганизмами.

Причины ингибирования азотными удобрениями микробиологической азотфиксации в пахотных почвах вполне объяснимы: обогащение почвы доступным азотом делает процесс связывания молекулярного азота для азотфиксирующих микроорганизмов энергетически невыгодным, и они переходят на субстратный тип питания. Из сельскохозяйственной практики хорошо известно, что внесение даже средних доз минеральных азотных удобрений приводит к резкому ингибированию процессов биологической азотфиксации в почвах.

Вопреки существующим представлениям о стимулирующем влиянии азотных удобрений на УОМ данные микробиологического анализа почвы выявили обратную зависимость между численностью данных микроорганизмов в почве и количеством внесенных минеральных удобрений. Так, например, наименьшая численность УОМ была зафиксирована в контрольном варианте с максимальной стартовой дозой внесения удобрений (500 кг/га азофоски + 500 кг/га аммиачной селитры), а наибольшая - во 2-м варианте с минимальной стартовой дозой удобрений (150 кг/га азофоски + 150 кг/га аммиачной селитры).

Анализ активности азотобактера также выявил обратную зависимость между данным показателем и стартовой дозой азотных удобрений. При этом максимальный уровень активности на протяжении всего периода наблюдений отмечался в варианте с минимальной стартовой дозой удобрений. В контрольном же варианте с максимально высокой стартовой дозой активность азотобактера вовсе не была зафиксирована.

Повторное внесение азотных удобрений в оба варианта независимо от дозы привело к полному подавлению активности азотобактера. И только приблизительно на 5-6 сутки после повторного внесения удобрений активность азотобактера стала вновь возрастать.

Таким образом, даже заведомо невысокие с точки зрения специалистов в области рекультивации нефтезагрязненных почв дозы азотных минеральных удобрений, не превышающие 500 кг/га, привели к заметному подавлению активности азотфиксирующих микроорганизмов и, как следствие, сокращению притока в почву свободного азота из атмосферы, экологически абсолютно безопасного и к тому же бесплатного.

В целом обращает на себя внимание прямая зависимость между активностью азотфиксирующих и углеводородокисляющих микроорганизмов, а также степенью деградации нефти по вариантам опыта и, одновременно - обратная зависимость всех этих показателей от количества внесенных минеральных удобрений.

Биологический азот, фиксируемый микроорганизмами из атмосферы, оказывает более значительное влияние на скорость процессов микробиологической деструкции нефтепродуктов в почве по сравнению с азотом, вносимым в почву в составе минеральных удобрений. В этой связи очень примечательным является тот факт, что повторное внесение азофоски и аммиачной селитры практически не привело к снижению содержания остаточной нефти в почве и оказалось неэффективным. Велика также вероятность того, что наблюдавшееся при этом полное подавление активности азотобактера остановило дальнейшее течение процессов деструкции нефти в почве.

Анализ уровня фитотоксичности почвы показал, что контрольный вариант отличался минимальными показателями всхожести семян и максимальными показателями фитотоксичности. Наименьший уровень токсичности был отмечен в варианте с минимальной стартовой дозой внесения минеральных удобрений.

Высокий уровень токсичности в нефтезагрязненной почве может быть обусловлен накоплением на ранних этапах микробиологической деструкции большого количества нефтяных кислот и других продуктов первичной деградации нефти, обладающих высокой степенью токсичности, как для растений, так и для большинства микроорганизмов.

Химическое загрязнение геосистем и принципы рекультивации загрязненных земель . Загрязнение по своей сущности будь то природное или

антропогенное – это внедрение (инъекция) различных веществ в абиотические и биотические компоненты геосистемы, обуславливающая негативные токсико-экологические последствия для биоты. При изучении процессов загрязнения и их описания необходимо опираться на знания о свойствах геосистемы, межкомпонентных связях и экологических законах.

Нарушение газовых, концентрационных, окислительно-восстановительных функций биоты, вызывающих утрату ее геохимического самоочищения;

Изменение биохимического состава продукции биоты, вызывающее нарушение жизненных функций цепей в данной геосистеме и за ее пределами при отчуждении биологической продукции;

Снижение биологической продуктивности геосистемы;

Уменьшение информативности геосистемы, т.е. разрушение генофонда, необходимого для ее существования.

Загрязнение может вызываться природными процессами, но часто - это результат деятельности человека. Антропогенное загрязнение почв можно разделить на коммунальное, сельскохозяйственное, промышленное и военное.

Коммунальное загрязнение связано с функционированием населенных пунктов, при котором в природную среду сбрасываются продукты жизни и деятельности людей в местах их поселения: сточные воды, бытовые отходы, мусор и т.п.

Сельскохозяйственное загрязнение возникает на больших территориях как последствие применения средств борьбы с болезнями и вредителями культурных растений, с сорной растительностью (пестициды, инсектициды, гербициды), при внесении повышенных доз минеральных и органических удобрений. Сюда же можно отнести загрязнение при использовании для орошения сточных вод, в том числе и промышленных, с удобрительной и увлажнительной целью и при использовании для полива вод с повышенной минерализацией.

Промышленное загрязнение на больших территориях возникает при попадании в почву через атмосферу или с дождем и снегом паров, аэрозолей, пыли или растворенных полютантов. Локальное загрязнение возникает в местах хранения отвалов, отходов и т.п.

Военное загрязнение возникает при ведении боевых действий, маневров, испытании боевой техники.

Объектами загрязнения могут быть все компоненты геосистемы, но основное внимание нужно уделять загрязнению почв по следующим причинам:

Почва, являясь по определению В.В. Докучаева наружной оболочкой суши, в первую очередь воспринимает удар от многих загрязнителей, аккумулирует большой объем загрязняющих веществ;

Загрязненная почва, будучи средой обитания сельскохозяйственных растений, предопределяет возможность нарушения их жизнедеятельности и другие, связанные с этим последствия;

Почва, как активно действующее органоминеральное тело, способна значительно трансформировать загрязняющие вещества, связывать их в неподвижные формы и даже разрушать;

Почва, трансформируя потоки влаги и содержащих в ней веществ, регулирует в известных пределах загрязнение подстилающих горных пород, подземных и связанных с ними поверхностных вод, т.е. выполняет природоохранную функцию.

Для правильного понимания процессов загрязнения компонентов геосистем, выработки способов их рекультивации полезно использовать теорию биогеохимических барьеров, объективно существующих в природе и создаваемых человеком (см. 2.4).

Рекультивация земель, загрязненных тяжелыми металлами. Загрязнение почв тяжелыми металлами приводит к образованию кислой или щелочной реакции почвенной среды, снижению обменной емкости катионов, потери питательных веществ, к изменению плотности, пористости, отражательной способности, к развитию эрозии, дефляции, к сокращению видового состава растительности, ее угнетению или к полной гибели.

Прежде, чем начать рекультивацию таких земель необходимо установить источник и причины загрязнения, провести мероприятия по снижению выбросов, локализации или ликвидации источника загрязнения. Только при таких условиях может быть достигнута высокая эффективность рекультиваци-онных работ.

Ориентиром для разработки состава работ по рекультивации земель в первую очередь служит приоритетное вещество, вызывающее ухудшение экологического состояния почв и качество сельскохозяйственной продукции, а ожидаемая подвижность других опасных веществ должна регулируется специальными или комплексными мероприятиями.

Рекультивация земель, загрязненных тяжелыми металлами, осуществляется с использованием следующих способов:

1)Культивирование устойчивых к загрязнению культурных и дикорастущих растений. На загрязненных землях сельскохозяйственного назначения проводится реорганизация и переориентация сельскохозяйст- венного производства за счет введения новой структуры растениеводства, переходят к выращиванию культур, не идущих напрямую в пищу человека.

2) Рекультивация почв с помощью растений (фиторекультивация), способных накапливать тяжелые металлы в вегетативных органах. Установлено, что дерево за вегетационный период вдоль автомобильной дороги способно накапливать в себе количество свинца, равное его содержанию в 130 кг бензина, поэтому в населенных пунктах с загрязненными районами листовой опад целесообразно собирать и утилизировать. Для очистки почв от цинка,

свинца и кадмия необходимо выращивать большой горец, от свинца и хрома – горчицу, от никеля - гречиху и т.д., при загрязнение радиоактивными изотопами можно использовать вику, горох, люцерну, махорку.

3) Регулирование подвижности тяжелых металлов в почве. Поглощение тяжелых металлов растениями зависит от содержания их подвижных форм в почве. Существование подвижных форм определяется свойствами и плодородием почв, биогеохимическими процессами, интенсивностью и объемами поступления тяжелых металлов в почву, выносом растениями. Поведение тяжелых металлов в почве и способы управления их содержанием вытекают из теории геохимических барьеров, а рекультивация загрязненных почв сводится к созданию дополнительных барьеров, управлению существующими барьерами или к ослаблению некоторых из них.

Почвы, тяжелые по механическому составу и имеющие высокое плодородие, содержат меньше подвижных форм тяжелых металлов, чем почвы легкие и малопродуктивные. Многие из металлов, относящиеся к первому классу опасности, в нейтральной почвенной среде образуют трудно растворимые соединения, а в кислой – легко растворимые. Кадмий наиболее подвижен в кислой среде и слабо подвижен в нейтральной и щелочной среде. К подвижным в кислой среде относятся химические соединения, содержащие катионы Zn,Сu, Pb, Cd, Sr, Mn, Ni, Co. К подвижным в нейтральной и щелочной среде – Mo, Cr, As, V, Se.

Для регулирования подвижности соединений тяжелых металлов в почве используют известкование, гипсование, внесение органических и мине-

ральных удобрений, землевание (внесение глины или песка).

При рекультивации земель, загрязненных тяжелыми металлами, значительное внимание уделяется поддержанию и образованию в почве труднорастворимых соединений. Для этого в дополнение к приведенным способам используют искусственные и природные адсорбенты. К природным относятся торф, мох, черноземные почвы, сапропель (озерный ил), бентонитовые глины, глауконитовые пески, клиноптилолиты, опоки, трепелы, диатомиты. Искусственные адсорбенты создаются в результате активации или смешения природных адсорбентов, например, активированный уголь, алюмосиликатные и железо-алюмосиликатные адсорбенты, углеалюмогели, ионообменные смолы, полистирол.

4)Регулирование соотношений химических элементов в почве. В основе этого способа лежит антагонизм и синергизм химических элементов, т.е. когда один элемент препятствует или способствует поступлению другого в растение, например, цинк препятствует поступлению ртути, а избыток фосфора приводит к снижению токсичности цинка, кадмия, свинца и меди, присутствие кальция может создать для одних металлов антагонистические, а для других синергические условия, в плодородной почве цинк и кадмий противостоят закреплению меди и свинца, а в малоплодородной почве процесс может развиваться в обратном направлении.

5)Создание рекультивационного слоя, замена или разбавление загрязненного слоя почвы может проводиться по многослойной схеме, а также путем нанесения одного слоя почвы на предварительно экранированную или неэкранированную загрязненную поверхность. Разбавление загрязненного слоя проводится землеванием чистой почвы с последующим смешением, разбавление может также проводится с помощью глубокой вспашки, когда верхний загрязненный слой перемешивается с чистым нижним слоем. Применяют снятие загрязненного слоя и его переработку, или снятие загрязненной почвы с последующей очисткой и возвращением обратно, но обычно такие операции проводят на небольших участках, они являются дорогостоящим способом рекультивации.

Для рекультивации больших территорий, включающих селитебные и рекреационные зоны населенных пунктов, сельскохозяйственные угодий, испытывающие длительное загрязнение, можно применить следующую комплексную схему:

Существенное сокращение выбросов предприятиями (технологический барьер);

Строгое дозирование химических средств защиты растений, оптимальное регулирование питательного и кислотного режимов почвы (технологический барьер);

Управление водными миграционными потоками за счет организации поверхностного стока, создания ливневой канализации, дренажных с последующей

очисткой стоков (механический барьер).

Усиление сорбционного барьера почвенного слоя, необходимого для существенного уменьшения количества подвижных соединений тяжелых металлов, которые поступают в растения и загрязняют продукцию, в тоже время общее количество металлов в почве может не только не уменьшается, но даже расти за счет уменьшения подвижности.

Дополнительно к этому - минимизация инфильтрационной составляющей водного режима почвенного слоя в условиях полива зеленых насаждений, газонов, огородных, сельскохозяйственных и других культур, т.е. выполнение мероприятий, направленных, с одной стороны, на некоторое ослабление гидрофизического барьера, но с другой - необходимых для закрепления эффекта от усиления сорбционного барьера.

Рекультивация земель, загрязненных нефтью и нефтепродуктами. Состав работ зависит от степени загрязнения. При незначительном загрязнении активизируют деятельность почвенных микроорганизмов по деструкции углеводородов. Сюда входит рыхление почвы, внесение извести, гипса, высоких доз органических и минеральных удобрений с последующей запашкой, создание мульчированной поверхности из высоко питательных смесей, посев повышенными нормами нефтетолерантных растений; возможны варианты при-

менения сложных комплексов: NPK + навоз; NPK + известь; NPK + известь + навоз. Высевают устойчивые кормовые растения, использование которых должно строго контролироваться, поскольку в них могут накапливаться такие канцерогены, как полициклические ароматические углеводороды.

При сильном загрязнении сооружают инженерно-экологические системы. Создание таких системы обусловлено высокой подвижностью нефтепродуктов в компонентах геосистем, особенно при длительном загрязнении почв, и образованием больших ареалов свободных и связанных нефтепродуктов на границе раздела зоны аэрации и подземных вод. Подобные антропогенные залежи нефтепродуктов формируются вблизи складов топливно-смазочных материалов, нефтебаз и нефтеперерабатывающих заводов. Они вызывает опасность загрязнения не только почв но и подземных и поверхностных вод. Поэтому задачами инженерно-экологической системы являются удаление подвижных нефтепродуктов, рекультивация почв, защита рек и водозаборов от загрязнения нефтепродуктами с одновременной локализацией очагов загрязнения.

Такие системы в течение длительного периода (в течение нескольких десятков лет) предотвращают распространение неизвлекаемой части нефтепродуктов из залежи в городские водозаборы и в реки, регулируют концентрацию легких углеводородов в зоне аэрации и снижают пожарную опасность, обеспечивают на основе экологического мониторинга управление гидрохимическими и биологическими режимами почв, грунтов подземных и поверхностных вод.

В состав инженерно-экологических систем входят дамбы обвалования, стена в грунте, нагнетательные скважины, горизонтальный и вертикальный дренаж, добывающие скважины, а также мероприятия по технической и биологической рекультивации загрязненных земель.

Дамбы обвалования и мероприятия по организации поверхностного стока предназначены для защиты загрязненной территории от затопления во время паводка и предотвращения поверхностного смыва нефтепродуктов, аккумулированный поверхностный сток должен направляться после предварительного биодеструктирования и доочистки в водооборотные системы промышленных предприятий.

Стена в грунте, представляющая собой противофильтрационную завесу и устраиваемая по контуру нефтяной залежи; локализует область загрязнения. Нагнетательные скважины обеспечивают подъем и вытеснение подвижных нефтепродуктов к добывающим скважинам, которые в пределах контура нефтяной залежи откачивают нефтепродукты и загрязненные подземные воды с последующей очисткой.

После удаления подвижных нефтепродуктов проводят доочистку почв. При этом используют различные биодеструкторы, для которых создают оптимальный водный, воздушный, тепловой и пищевой режимы, применяя

орошение, осушение, вносят органические и минеральные удобрения. Осуществляют постоянный контроль за уровнем загрязнения и за качеством сельскохозяйственной продукции.

Почвы с очень высоким уровнем загрязнения, замазученные направляются на переработку с целью добычи извлекаемой части нефтепродуктов, после чего их рекультивируют в стационарных или полевых условиях.

Техногенные потоки углеводородов в ландшафтах, в особенности нефти с солеными водами, приводят к потере продуктивности земель, деградации растительности, образованию бедлендов. Для почв и грунтов, сильно загрязненных нефтью и нефтепродуктами характерны неблагоприятные структурные и физико-химические свойства для использования их в хозяйственных целях. Отдавая сорбированные углеводороды в виде растворенных продуктов, эмульсий или испарений, загрязненные почвы служат постоянным вторичным источником загрязнения других компонентов окружающей среды: вод, воздуха и растений.

Рекультивация земель - это комплекс мероприятий, направленных на восстановление продуктивности и хозяйственной ценности нарушенных и загрязненных земель, а также на улучшение условий окружающей среды. Задача рекультивации - снизить содержание нефтепродуктов и находящихся с ними других токсичных веществ до безопасного уровня, восстановить продуктивность земель, утерянную в результате загрязнения.

Результаты научных исследований по рекультивации почв в различных регионах мира публикуются многими отечественными и зарубежными авторами. Обзор этих работ вместе с новыми данными был опубликован в книге коллектива авторов (Восстановление нефтезагрязненных.., 1988). Необходимо отметить, что исследования, осуществляемые в различных почвенно-климатических условиях и разными методами, часто дают неоднозначные или прямо противоположные результаты. Недостаточным бывает и срок наблюдений, что не позволяет учесть последействие проводимых мероприятий. В настоящее время применяют несколько принципиально различных способов рекультивации почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами.

Термический и термоэкстракционный способы. Нефтепродукты удаляют путем прямого сжигания на месте, либо в специальных установках. Наиболее дешевый способ - сжигание нефтепродуктов или нефти на поверхности почвы. Этот способ неэффективен и вреден по двум причинам: 1) сжигание возможно, если нефть лежит на поверхности густым слоем или собрана в накопители, пропитанные ею почва или грунт гореть не будут; 2) на месте сожженных нефтепродуктов продуктивность почв, как правило, не восстанавливается, а среди продуктов сгорания, остающихся на месте или рассеянных в окружающей среде, появляется много токсичных, в частности канцерогенных, веществ.

Очистка почв и грунтов в специальных установках путем пиролиза или экстракции паром дорогостояща и малоэффективна для больших объемов грунта. Во-первых, требуются большие земляные работы для пропускания грунта через установки и укладки его на место, в результате чего разрушается естественный ландшафт; во-вторых, после термической обработки в очищенной почве могут остаться новообразованные полициклические ароматические углеводороды - источник канцерогенной опасности; в-третьих, остается проблема утилизации отходящих экстрактов, содержащих нефтепродукты и другие токсичные вещества.

Экстракционная очистка почвы “т-в^и” поверхностноактивными веществами. Технология очистки почв и грунтовых вод путем промывания их поверхностно-активными веществами применяется, например, на базах ВВС США. Этим способом можно удалить до 86% нефти и нефтепродуктов; он наиболее эффективен для глубокозалегающих водоносных горизонтов, по которым фильтруется загрязненная грунтовая вода. Применение же его в широких масштабах вряд ли целесообразно, так как поверхностно-активные вещества сами загрязняют среду и появится проблема их сбора и утилизации.

Микробиологическая рекультивация с внесением штаммов микроорганизмов. Очистка почв и грунтов путем внесения специальных культур микроорганизмов - один из наиболее распространенных способов рекультивации, основанный на изучении процессов биодеградации нефти и нефтепродуктов. Современный уровень изученности микроорганизмов, способных ассимилировать углеводороды в природных и лабораторных условиях, позволяет утверждать теоретическую возможность регулирования процессов очистки нефтезагрязненных почв и грунтов. Однако многоступенчатость биохимических процессов разложения углеводородов разными группами микроорганизмов, осложняющаяся разнообразием химического состава нефти, обусловливает сложность регуляции устойчивого процесса их разложения. При использовании микробиологических методов возникают сложные проблемы взаимодействия вносимых в почву популяций с естественной микрофлорой. Определенные трудности связаны с отсутствием современных технических средств и методов непрерывного наблюдения и регулирования многофакторной системы субстрат - микробиоценоз - продукты метаболизма в условиях реальной почвы.

К применению бактериальных препаратов, полученных на основе монокультур, выделенных из природных штаммов в тех или иных регионах, следует подходить осторожно. Известно, что в разложении нефти принимает участие целый микробиоценоз с характерной структурой трофических связей и энергетического обмена, участвующий в разложении углеводородов на разнь этапах специализированными эколого-трофическими группами (Ис-майлов, 1988). Поэтому внедрение монокультуры может привести только к кажущемуся эффекту. Кроме того, подавление ею местного микробиоценоза может негативно сказаться на всей почвенной экосистеме и нанести ей больший вред, чем нефтяное загрязнение. Микробиологические препараты эффективно работают, как правило, в условиях достаточного увлажнения в сочетании с агротехническими приемами (Дядечко и др., 1990). Но эти же приемы стимулируют развитие находящихся в почвах тех же штаммов в сочетании со всем микробиоценозом, что ускоряет естественный процесс самоочищения.

Методы рекультивации, основанные на интенсификации процессов самоочищения. Приемы рекультивации, создающие условия для работы подавленных при сильном загрязнении механизмов естественного самоочищения почв, наиболее оптимальны и безопасны для почвенных экосистем. Разработке этой концепции для различных природных зон были посвящены исследования ряда лабораторий (Восстановление нефтезагрязненных 1988).

При оценке последствий нефтяного загрязнения не всегда можно сказать, вернется ли ландшафт к устойчивому состоянию или будет необратимо деградировать. Поэтому на всех мероприятиях, связанных с ликвидацией последствий загрязнения, с восстановлением нарушенных земель, необходимо исходить из главного принципа, не нанести природной среде больший вред, чем тот, который уже нанесен при загрязнении.

Суть концепции восстановления ландшафтов - максимальная мобилизация их внутренних ресурсов на восстановление своих первоначальных функций. Самовосстановление и рекультивация представляют собой неразрывный биогеохимический процесс. Рекультивация - это продолжение (ускорение) процесса самоочищения, использующее природные резервы - климатические, ландшафтно-геохимические и микробиологические.

Самоочищение и самовосстановление почвенных экосистем, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, это стадийный биогеохимический процесс трансформации загрязняющих веществ, сопряженный со стадийным процессом восстановления биоценоза. Для разных природных зон длительность отдельных стадий этих процессов различна, что связано в основном с почвенноклиматическими условиями. Важную роль играют и состав нефти, наличие сопутствующих солей, начальная концентрация загрязняющих веществ.

Процесс естественного фракционирования и разложения нефти начинается с момента ее поступления на поверхность почвы или сброса в водоемы и водотоки. Закономерности этого процесса во времени были выяснены в общих чертах в ходе многолетнего эксперимента, проводимого на модельных участках в лесотундровой, лесной, лесостепной и субтропической природных зонах. Основные результаты этого эксперимента изложены в предыдущей главе.

Выделяют три наиболее общих этапа трансформации нефти в почвах: 1) физико-химическое и частично микробиологическое разложение алифатических углеводородов; 2) микробиологическое разрушение главным образом низкомолекулярных структур разных классов, новообразование смолистых веществ; 3) трансформация высокомолекулярных соединений: смол, асфальтенов, полициклических углеводородов. Длительность всего процесса трансформации нефти в разных почвенно-климатических зонах различна: от нескольких месяцев до нескольких десятков лет.

В соответствии с этапами биодеградации происходит постепенная регенерация биоценозов. Эти.процессы идут медленно, разными темпами, в разных ярусах экосистем. Значительно медленней, чем микрофлора и растительный покров, формируется сапрофитный комплекс животных. Полной обратимости процесса, Как правило, не наблюдается. Наиболее сильная вспышка микробиологической активности приходится на второй этап биодеградации нефти. При дальнейшем снижении численности всех групп микроорганизмов до контрольных значений численность уг-леводородокисляющих микроорганизмов на многие годы остается аномально высокой по сравнению с контролем.

Как было установлено в опытах с многолетним злаком Костром безостым, восстановление нормальных условий для его произрастания на загрязенной нефтью почве зависит от уровня начального загрязнения. В южнотаежной зоне (Пермское Прикамье) при уровне нагрузки нефти на почву 8 л/м 2 уже через год после одноактного загрязнения (без участия солей) злак мог нормально расти в спонтанно восстанавливающейся экосистеме. При более высоких первоначальных нагрузках (16 и 24 л/м 2) нормальный рост растения не восстанавливался, несмотря на прогрессирующие процессы биодеградации нефти.

Таким образом, механизм самовосстановления экосистемы после нефтяного загрязнения достаточно сложен. Для управления этим механизмом необходимо определить границы метастабиль-ного состояния экосистемы, в которых еще возможно хотя бы частичное самовосстановление, и найти эффективные способы, как вернуть экосистему в эти границы. Решение этой задачи поможет определить оптимальные пути рекультивации загрязенных нефтью почвенных экосистем.

Как указано выше, механические и физические методы не могут обеспечить полное удаление нефти и нефтепродуктов из почвы, а процесс естественного разложения загрязнений в почвах чрезвычайно длителен. Разложение нефти в почве в естественных условиях - процесс биогеохимический, в котором главное и решающее значение имеет функциональная активность комплекса почвенных микроорганизмов, обеспечивающих полную минерализацию углеводородов до СОг и воды. Так как углеводородокисляющие микроорганизмы являются постоянными компонентами почвешшх биоценозов, естественно возникло стремление использовать их ка-таболическую активность для восстановления нефтезагрязненных почв. Ускорить очистку почв от нефтяных загрязнений с помощью микроорганизмов возможно в основном двумя способами: 1) активизацией метаболической активности естественной микрофлоры почв путем изменения соответствующих физико-химических условий среды (с этой целью используются хорошо известные агротехнические приемы); 2) внесением специально подобранных активных нефтеокисляющих микроорганизмов в загрязненную почву. Каждый из этих способов характеризуется рядом особенностей, а их практическая реализация часто наталкивается на трудности технического и экологического порядка.

С помощью агротехнических приемов можно ускорить процесс самоочищения нефтезагрязненных почв путем создания оптимальных условий для проявления потенциальной катаболической активности УОМ, входящих в состав естественного микробиоценоза. Распашка загрязненных нефтью территорий рекомендуется спустя некоторое время, в течение которого нефть частично разлагается (Mitchell et al., 1979). Обработка является мощным регулирующим фактором, стимулирующим самоочистку нефтезагрязненных почв. Она положительно влияет на микробиологическую и ферментативную активность, так как способствует улучшению условий жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, которые количественно и по интенсивности метаболизма доминируют в почвах и являются основными деструкторами углеводородов. Рыхление загрязненных почв увеличивает диффузию кислорода в почвенные агрегаты, снижает концентрацию углеводородов в почве в результате улетучивания легких фракций, обеспечивает разрыв поверхностных пор, насыщенных нефтью, но в то же время способствует равномерному распределению компонентов нефти в почве и увеличению активной поверхности. Обработка почвы создает мощный биологически активный слой с улучшенными агрофизическими свойствами. В почве при этом создается оптимальный водный, газовоздушный и тепловой режим, растет численность микроорганизмов и их активность, усиливается активность почвенных ферментов, увеличивается энергия биохимических процессов.

В первые недели и месяцы после загрязнения происходят в основном абиотические процессы изменения нефти в почве. Идет стабилизация потока, частичное рассеяние, понижение концентрации, что дает возможность микроорганизмам адаптироваться, перестроить свою функциональную структуру и начать активную деятельность по окислению углеводородов. В первые месяцы после загрязнения содержание нефти в почве снижается на 40-50%. В дальнейшем это снижение идет очень медленно. Меняются диагностические признаки остаточной нефти, вещество, первоначально почти полностью извлекающееся гексаном, затем преимущественно извлекается хлороформом и другими полярными растворителями.

Первая стадия длится в зависимости от природных условий от нескольких месяцев до полутора лет. Она начинается физикохимическим разрушением нефти, к которому постепенно подключается микробиологический фактор. Прежде всего разрушаются метановые углеводороды (алканы). Скорость процесса зависит от температуры почв Так, в эксперименте за год содержание этой фракции снизилось: в лесотундре на 34%, в средней тайге на 46%, в южной - на 55%. Параллельно снижению доли алканов в остаточной нефти увеличивается относительное содержание смолистых веществ. Вторая стадия деградации длится около 4-5 лет и характеризуется ведущей ролью микробиологических процессов. К началу третьей стадии разрушения нефти в ее составе накапливаются наиболее устойчивые высокомолекулярные соединения и полициклические структуры при абсолютном снижении содержания последних.

Первый этап рекультивации соответствует наиболее токсичной геохимической обстановке, максимальному ингибированию биоценозов. На этом этапе целесообразно проводить подготовительные мероприятия: аэрацию, увлажнение, локализацию загрязнения. Цель этих мероприятий - интенсификация микробиологических процессов, а также фотохимического и физического процессов разложения нефти, снижения ее концентрации в почве. На этом этапе оценивается глубина изменения почвенной экосистемы, направленность ее естественной эволюции. Длительность первого этапа в разных зонах различна, в средней полосе она равна примерно одному году.

На втором этапе на загрязненных участках проводится пробный посев культур с целью оценить остаточную фитотоксичность почв, интенсифицировать процессы биодеградации нефти, улучшить агрофизические сзойства почв. На этом этапе проводится регулирование водного режима и кислотно-щелочных условий почвы, проводятся, в случае необходимости, мероприятия по рассолению. На третьем этапе восстанавливаются естественные растительные биоценозы, создаются культурные фитоценозы, практикуется посев многолетних растений.

Общая длительность процесса рекультивации зависит от почвенно-климатических условий и характера загрязнения. Наиболее быстро этот процесс может быть завершен в степных, лесостепных, субтропических районах. В северных районах он будет продолжаться более длительное время. Ориентировочно весь период рекультивации в разных природных зонах занимает от 2 до 5 лет и более.

Особого рассмотрения заслуживает вопрос о внесении в почву различных мелиорантов, в частности минеральных и органических удобрений, для ускорения процессов разложения нефти. Необходимость таких мероприятий пока экспериментально не доказана.

В работе (McGill, 1977) обсуждается вопрос о конкуренции между микроорганизмами и растениями за азот в нефтезагрязненной почве. Ряд авторов предлагают вносить в почвы азотные и другие минеральные удобрения в сочетании с различными добавками: (известью, поверхностно-активными веществами и т.д.), а также органические удобрения (например, навоз). Внесение этих удобрений и добавок призвано усилить деятельность микроорганизмов и ускорить разложение нефти. Эти мероприятия давали в ряде случаев положительные результаты, в основном в первый год после их применения. При этом не всегда учитывались более отдаленные эффекты - ухудшение состояния почв и растений в последующие годы. Например, опыты, проведенные в Пермском Прикамье, с внесением в загрязненную почву минеральных удобрений и извести показали, что через два года после загрязнения на “удобренной” почве растения развивались не лучше, а местами даже хуже, чем на почве с таким же загрязнением, но не содержащей мелиорантов.

Таким образом, необходимы многолетние исследования с разными типами почв и нефтей, соотнесенные с определенными природными условиями. Пока же можно рекомендовать внесение мелиорантов лишь на третьем, заключительном, этапе рекультивации после тщательного химического исследования почв.

Все эти вопросы трудно решить чисто эмпирическим путем, так как число вариантов опытов оказывается практически бесконечным. Необходимы комплексные фундаментальные исследования в области биогеохимии и экологии загрязненных почв с целью разработки теории процесса и научных рекомендаций на ее основе.

На основании проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы по условиям трансформации и рекультивации нефти в почвах разных природных зон.

Светлые серо-коричневые почвы сухих субтропиков Азербайджана. Условия трансформации углеводородов характеризуются превышением испаряемости над увлажнением, малым горизонтальным водным стоком, повышенной микробиологической и ферментативной активностью почв. Наиболее интенсивные процессы трансформации нефти идут в первые месяцы после загрязнения, затем они замедляются в несколько раз. Через год количество остаточной нефти составляло 30% от первоначального количества, через четыре года - 23%. Примерно 30% нефти, содержащей много тяжелых фракций, минерализуется или испаряется. Остальная часть преобразуется в малорастворимые продукты метаболизма, которые остаются в гумусовом горизонте почв, мешая восстановлению их плодородия. Наиболее эффективный способ рекультивации - усиление функциональной активности микроорганизмов путем увлажнения, аэрации, внесения ферментов, фитомелиорации.

Подзолисто-желтоземные и иловато-глеевые почвы влажных субтропиков. Самоочищение почв от нефти происходит в условиях интенсивного поверхностного водного стока, высокой микробиологической активности почв. Естественное очищение и восстановление растительности происходит в течение нескольких месяцев.

Подзолистые и дерново-подзолистые почвы лесо-таежной области Западной Сибири и Приуралья. Самоочищение почв и трансформация нефти проходят в условиях повышенного увлажнения, что способствует горизонтальному и вертикальному рассеиванию нефти в первый период после загрязнения. За счет водного рассеяния в течение первого года с территории загрязнения может быть удалено и перераспределиться в окружающем пространстве до 70% внесенной нефти. Микробиологическая и ферментативная активность почв ниже, чем в южных районах. В течение года в продукты микробиологического метаболизма превращается примерно 10-15% первоначально внесенной нефти. Наиболее эффективные способы защиты и рекультивации - предотвращение разлива нефти с помощью искусственных и естественных сорбентов, естественное выветривание на первой стадии с последующей фитомелиорацией. Ллительность восстановления почв не менее 4-5 лет.

Тундрово-глеевые почвы лесотундровой области. Процессы биодеградации нефти идут с очень малой скоростью. Самоочищение почв происходит в основном за счет механического рассеяния. Эффективные способы рекультивации неясны.